Biyoyakıt, canlılardan veya biyokütle olarak da bilinen bir canlının atıklarından yapılan bir yakıttır ve bilimsel araştırmaların en çok beklenen, ilgi gören ürünleridir. Fosil yakıtlar tükenmektedir ve kirlilik küresel olarak artmaktadır. Biyoyakıtlar günümüzün ihtiyacıdır ve dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar biyolojik yakıt üretimi için seçenekleri araştırmaktadır.
Çoğu alg, deniz (tuzlu su) veya tatlı su ortamlarında yetişen tek hücreli organizmalardır. Diğer bitkiler gibi güneş ışığını, suyu, karbondioksiti ve diğer besleyici maddeleri enerji ve biyokütleye dönüştürürler ve atmosfere büyük miktarlarda oksijen salarlar. Kırmızı, yeşil, kahverengi ve mavi-yeşil (siyanobakteriler) gibi birçok farklı tür de dahil olmak üzere 65.000’den fazla bilinen alg türü vardır. Algler hâlihazırda çok sayıda ticari kullanımda (besin takviyeleri üretmek, lağım suyunu arıtmak ve renklendirici maddeler olarak) önemlidir. Son derece çeşitli basit, ototrofik organizma grubu olan alglerin en umut verici kullanımlarından biri, biyoyakıtlar için ham madde olarak kullanılmasıdır. Biyoyakıt haline getirmek için birçok alg türü (hem tek hücreli olan mikroalgler hem de deniz yosunu gibi makroalgler) kullanılabilir ve işlenebilir. Çeşitli alg biyoyakıtları, biyodizel, düz bitkisel yağ, lipitler, etanol ve hidrojenden oluşur. Alglerden türetilen dizeller ve jet yakıtları, motorlarda değişiklik yapılmadan doğrudan petrol yakıtlarının yerini alan Drop- in yani ikame yakıtlardır.
Mikroalgler ve Makroalgler
Tek hücreli fotosentetik mikroorganizmalar olan mikroalgler, mikrometre cinsinden ölçülür ve normalde bir su kütlesi içinde süspansiyon halinde büyüyen küçük, tek hücreli alglerdir. Doğada her yerde, tatlı suda, deniz suyunda, aşırı tuzlu göllerde ve hatta çöllerde ve kutup ekosistemlerinde (arktik ekosistemlerde) bulunurlar. Mikroalgler, nispeten yüksek yağ içeriği ve hızlı biyokütle üretimi nedeniyle uzun süredir biyoyakıt üretiminde ön plana çıkarılmaya çalışılan potansiyel iyi kaynaklar durumundadır.
Makroalgler, inç cinsinden ölçülen, genellikle havuzlarda (tatlı sularda) yetişen büyük, çok hücreli alglerdir. Bu büyük algler çeşitli şekillerde büyüyebilir. En büyük çok hücreli alglere deniz yosunu denir; 30 metreden daha uzun (ideal koşullarda 53 metre uzunluğa kadar ulaşabilirler) olabilen dev bir deniz yosunu olan kelp yosunları bunlara bir örnektir.
Yağdan Biyodizele
Özelleşmiş hücrelerin yağ ürettiği tipik karasal yağ üreten bitkilerin aksine, her alg hücresi yağ üretebilir.
Algal yağlar, tıpkı soya, kanola, palmiye ve daha az bilinen jatropha bitkileri tarafından üretilen yağlar gibi, transesterifikasyon yoluyla iyi biyodizel hammaddeleri haline getirilebilir. Bu süreçte bir katalizör, yağlardaki yağ asitlerini hidrolize ve metilleyerek bir biyodizel yakıt (yağ asidi metil esterlerinden oluşan) oluşturur. Karışımın rafine edilmesi tipik olarak bir sonraki adımdır ve yakıttan gliserol, polar lipidler ve artık pigmentler gibi yağ asidi olmayan bileşenlerin uzaklaştırılmasını içerir.
Chlamydomonas, Chlorella, Scenedesmus, Botryococcus braunii ve benzeri birçok alg türünün biyoyakıt ürettiği rapor edilmiştir. Alg suşlarının seçimi, özellikle yağ içeriği, üretim verimi ve sonraki işleme gibi çeşitli faktörlere ve ayrıca mikroalglerin yüksek oksijen konsantrasyonuna, sıcaklık değişimlerine ve su kimyasına uyum sağlama yeteneğine bağlıdır. Laboratuvarlarda kapsamlı bir şekilde incelenen bir suş (tür) olan Chlorella vulgaris’te, ekstrakte edilen yağ içeriği hem aktif büyüme hem de besin kısıtlı koşullar altında biyokütlenin yaklaşık yüzde 30 ila 50’sine denk gelmektedir. Araştırmacılar, C. vulgaris’e ek olarak, Chlamydomonas reinhardtii ve Scenedesmus ve Nannochloropsis türleri dahil olmak üzere diğer ökaryotik algleri de değerlendirmektedir. Üçü de iyi araştırılmış laboratuvar türleridir. C. reinhardtii fazla yağ yapmaz ama muhtemelen en yaygın ökaryotik alg laboratuvarı türüdür. Genom dizilimi tam olarak yapılmıştır ve genetik manipülasyon için birçok araç mevcuttur. Scenedesmus ve Nannochloropsis çeşitlerinin çoğu, yağ üretimi için kullanılmıştır çünkü her iki suş da büyük ölçekli açık havuzlarda ve fotobiyoreaktörlerde iyi büyür ve her ikisi de önemli miktarda yağ üretebilir.
Biyoyakıt Üretiminde Mikroalglerin Avantajları
Alglerin birçok doğal avantajı vardır ve bazı türlerde bulunan yüksek lipid (yağ) içeriği temel bir avantajdır. Mikroalgler çeşitli habitatlarda her yerde bulunurlar ve hücre kuru ağırlıklarının yüzde 60 kadarı yağ olabilir. Bununla birlikte, yağların bileşimi büyük ölçüde türe ve alglerin büyüdüğü koşullara bağlıdır. Nötr lipitler bakımından zengin yağlar, potansiyel yüksek yakıt verimleri nedeniyle biyoyakıt bağlamında arzu edilir. Lipitlerin yapı taşları olan yağ asitleri, kloroplasttaki enzimler tarafından sentezlenir ve bunlardan asetil-CoA karboksilazın sentez oranlarının düzenlenmesinde kilit rol oynar. Hücreler aktif olarak büyürken, metabolik odakları fotosentez ve biyokütle üretimidir. Üretilen yağ asitleri çoğunlukla fotosentez için çok değerli olan fosfo ve glikolipidler gibi polar membran lipidlerinde bulunur. Triaçilgliseroller, bir gliserol molekülüne esterlenmiş veya değiştirilmiş üç yağ asidi molekülünden oluştuğu için ağırlıklarının yüzde 100’e yakını yakıta dönüştürülebilir. Polar lipidlerde ise sadece bir veya iki yağ asidi molekülü gliserole esterleşir ve geri kalan bileşenler (örneğin şekerler veya fosfat grupları) yakıt hammaddesine dönüştürülemez. Sonuç olarak, bu tür lipitler daha düşük yakıt verimi sağlar.
Mikroalglerin diğer bir avantajı alglerin dönüm başına yüksek üretkenliğidir. Mikroalgler karasal ürünlere kıyasla çok hızlı büyürler ve metabolik süreçler için minimum girdi yani güneş ışığı, CO2 ve su, çok az mineral besin gerektirirler. Güneş ışığı, dünyadaki en kolay bulunabilen ve ucuz enerji kaynağıdır. Yakalanan güneş enerjisini biyokütleye dönüştürmede mikroalglerin etkinliği, karasal bitkilerin potansiyelini aşmaktadır. Mikroalgler, atık suda yetiştirilebildikleri için karasal bitkilerle toprak veya su temini için rekabet etmezler, bu da biyokütle üretimi ile birlikte ıslah edilmelerine yol açar.
Biyoyakıtlar için alg kullanmanın önemli bir avantajı da gıda kaynakları yetiştirmek için kullanılan tarım arazilerinin yerini alması gerekmemesidir. Algler birçok farklı ortamda yetiştiğinden, tarımsal olarak verimli olmayan arazilerde de üretilebilir. Tarım bitkilerine uygun olmayan ve ekilebilir arazilerle rekabet etmeyen deniz kıyısı, çöl vb. alanlarda yetiştirilebilirler. Yıl boyunca yetiştirilebildikleri ve minimum çevresel etkiye sahip oldukları için ekimleri mevsimlerden bağımsızdır. Alg sistemleri kolayca uyarlanabildiğinden, kültürlerin genetik mühendisliği, sentetik biyoloji, metabolik mühendislik ve benzeri teknolojik müdahaleler yoluyla yüksek verim üretmesi kolaylaştırılabilir. Fitoremediasyon yetenekleri sayesinde tarımsal, endüstriyel ve evsel atık sularda bulunan azot ve fosforu kullanabildikleri için atık sudaki besin yükünü azaltırlar.
Algler ayrıca yüksek karbondioksit tutma etkinliğine sahiptirler ve böylece sera gazı emisyonlarını azaltırlar. Algler, küresel bitki karbonunun yüzde 2’sinden daha azını oluştururken, atmosferik karbondioksitin (yılda 30 milyar ila 50 milyar metrik ton) yüzde 50’sini emer ve sabitleyerek onu organik karbona dönüştürür. Fotosentez yoluyla, küresel oksijenin yüzde 50’sine kadar üretirler. Bir enerji santralinin yakınına bir alg çiftliği kurulursa, enerji santrali tarafından üretilen karbondioksit (CO2), alg gelişimi için bir karbon kaynağı olarak kullanılabilir ve karbon emisyonları, enerji santrallerinden gelen atık CO2’nin temiz yanan biyodizele dönüştürülmesiyle azaltılabilir. ABD, Çevre Koruma Ajansı, yağ asidi metil transesterifikasyonu yoluyla üretilen alg bazlı biyodizelin, petrol dizeline kıyasla sera gazı emisyonlarını yüzde 60’tan fazla azaltabileceğini tahmin etmektedir.
Alglerin Biyoyakıta Dönüştürülmesi
Alglerin biyoyakıta dönüştürülmesi birkaç adımda gerçekleşir.
1-Alglerin yetiştirilmesi: Güneş ışığı, karbondioksit ve besin kullanarak alglerin yetiştirilmesi.
2-Alglerin hasat edilmesi: Büyüme döngüsünden sonra alglerin toplanması.
3-Alglerin susuzlaştırılması: Susuzlaştırma adı verilen bir işlemle alglerdeki suyun uzaklaştırılması.
4-Yağın ayrıştırılması: Kurutulmuş yosun kitlesinden yağın çıkarılması
5-Biyoyakıt üretimi: Yağ ve alglerin biyoyakıtlara dönüştürülmesi.
1-Mikroalglerin Yetiştirilmesi
Mikroalgler için özel kültür sistemlerinin geliştirilmesi, artan dünya nüfusu için alglerin alternatif bir protein kaynağı olarak araştırıldığı 1950’lerde başlamıştır. Daha sonra, çeşitli ürünler ve alglerin atık su potansiyelinin biyoremediasyonu araştırılmıştır. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak algler üzerine araştırmaların başlatılması, 1970’lerdeki enerji krizi nedeniyle başlamıştır. Mikroalglerin yetiştirilmesi, gelişmiş biyoyakıt üretimine yol açan önemli bir faktördür. Alg yetiştiriciliği nispeten basit birkaç koşul gerektirir. Bunlar ışık, su, karbon kaynağı, mikro ve makro besinler ile optimum sıcaklıktır. Yıllar geçtikçe, zorlu bir görev olmasına rağmen mikroalg büyümesi için optimum koşullar göz önünde bulundurularak farklı kültür sistemleri geliştirilmiştir. Genel olarak, mikroalglere yönelik yetiştirme sistemleri ya açık sistemler ya da kapalı sistemlerdir. Açık sistem ve kapalı sistemin bir kombinasyonu olan hibrit sistemler, yüksek besin giderimi ile yüksek biyokütle verimliliği elde etmek için kullanılabilir.
Açık sistemler
Açık mikroalg gölet sistemleri, atmosferde hali hazırda mevcut olan atmosferik karbondioksiti kullanmak için iyi fırsatlara sahip olduklarından, mikroalg yetiştiriciliği için yaygın olarak kullanılır. Alg türlerinin ihtiyaç duyduğu besin maddelerine bağlı olarak, alg kültürü için mandıra ya da süt işletmecileri lagün atıkları ve belediye atık suyu gibi çeşitli atık su kaynakları kullanılabilir. Açık sistemler ya da açık havuzlar, doğası gereği doğal veya yapay olabilir ve genellikle doğal lagünleri, dairesel havuzları, sığ büyük göletleri, tankları ve kanal göletlerini içerir. Chlorella sp. yetiştiriciliği geleneksel olarak genellikle betondan oluşan dairesel havuzlarda yapılır. Ayrıca kültürün karıştırılmasını sağlamak ve alg biyokütlesinin çökelmesini önlemek için döner kol ile donatılmıştır.
Açık havuzların yapımı ve işletilmesi, kapalı fotobiyoreaktörlere göre daha az maliyetli olsa da, bu kültür sisteminin kendine özgü dezavantajları vardır. Bunlar açık hava sistemleri olduğu için buharlaşma nedeniyle genellikle çok fazla su kaybedebilir. Bu nedenle, açık bir havuzda büyüyen mikroalgler, karbondioksiti verimli bir şekilde almazlar ve alg biyokütle üretimi sınırlıdır. Biyokütle üretkenliği, istenmeyen alg türlerinin yanı sıra yemden gelen diğer organizmalarla kontaminasyon nedeniyle de sınırlıdır. Ek olarak, açık havuzlarda optimal kültür koşullarının sağlanması zordur ve böyle seyreltik bir kültürden biyokütlenin geri kazanılması pahalıdır.
Kapalı sistemler
Kapalı sistemler, hem fotosentetik alg türleri için fotobiyoreaktörleri hem de siyanobakteriler gibi güneş ışığına ihtiyaç duymayanlar için geleneksel biyoreaktörleri (diğer mikrobiyal büyümede kullanılanlar gibi kapalı tanklar) içerir. Kapalı sistemler (fotobiyoreaktörler) iyi kontrol edilen büyüme koşullarına sahiptir. Genel olarak, bu reaktörler ışığa erişilebilirliği artırmak için tasarlanmıştır. Bu sistemler şeffaf malzemelerden yapılır ve genellikle doğal ışıkla aydınlatma için dış mekânlara yerleştirilir.
Fotobiyoreaktörler açık kültivasyonun birçok problemini çözdüğünden, araştırmacılar büyük mikroalgal biyokütle üretimi için fotobiyoreaktörler tasarlamaya odaklanmışlardır. Fotobiyoreaktör tasarımında, geometrilerine ve yapılarına bağlı olarak geniş bir çeşitlilik vardır. Fotobiyoreaktörler, torba tanklar ve kuleler olarak inşa edilebilir. Fotobiyoreaktörler plaka veya boru şeklinde olabilir ve plastik veya camdan yapılabilir. En yaygın fotobiyoreaktör, genellikle güneş ışınlarıyla aynı hizada olan bir dizi şeffaf tüpe sahip boru şeklinde bir tasarımdır. Tüplerin çapı genellikle güneş ışığının içeri girmesini en üst düzeye çıkarmak için 10 santimetreden daha küçüktür. Ortam suyu, bir pompa aracılığıyla fotosentez için ışığa maruz bırakılan tüplere dolaştırılır ve ardından tekrar bir rezervuara döner. Alg biyokütlesinin, mekanik bir pompa veya bir hava pompası kullanılarak reaktör içinde oldukça türbülanslı bir akış sağlayarak çökelmesi önlenir. Alglerin bir kısmı genellikle güneş enerjisi toplama tüplerinden sonra toplanır. Bu şekilde sürekli alg kültürü mümkündür. Bazı fotobiyoreaktörlerde, tüpler, sarmal tübüler bir fotobiyoreaktör olarak bilinen şeyi oluşturmak için sarmal spirallerdir, ancak bunlar bazen üretim maliyetini artıran yapay aydınlatma gerektirir. Bu nedenle, bu teknoloji yalnızca yüksek değerli ürünler için kullanılır, biyodizel hammaddesi için kullanılmaz. Fotosentez işlemi oksijen üretir. Açık kanallı bir sistemde, oksijen basitçe atmosfere geri verildiği için bu bir problem değildir. Bununla birlikte, kapalı fotobiyoreaktörde oksijen seviyeleri, algleri inhibe edip zehirleyene kadar birikecektir. Kültür, fazla oksijeni uzaklaştırmak için alg sıvısının hava ile köpürtüldüğü bir alan olan gazdan arındırma bölgesine periyodik olarak geri gönderilmelidir.
Kapalı fotobiyoreaktörlerin avantajları açıktır. Açık havuzlarda karşılaşılan kirlenme ve buharlaşma problemlerinin üstesinden gelebilirler. Fotobiyoreaktörlerin biyokütle üretkenliği, ortalama olarak geleneksel bir kanal havuzundan 13 kat daha fazla olabilir. Tipik alg biyokütlesi, kanallarda bulunan biyokütleden yaklaşık 30 kat daha fazla konsantre olduğundan, biyokütlenin fotobiyoreaktörlerden toplanması, bir kanal havuzundan elde edilenden daha ucuzdur. Bununla birlikte, kapalı fotobiyoreaktörlerin de bazı dezavantajları vardır. Örneğin, reaktörler daha pahalıdır ve ölçeklendirmesi zordur. Ayrıca, ışık penetrasyonu hücre konsantrasyonu ile ters orantılı olduğundan, ışık sınırlamasının tamamen üstesinden gelinemez. Hücrelerin tüp duvarlarına bağlanması da ışığın içeri girmesini engelleyebilir. Kapalı sistemler biyokütle konsantrasyonunu artırabilse de, sıcaklık ve ışık yoğunluğundaki değişiklikler nedeniyle mikroalglerin büyümesi hala yetersizdir.
Hibrit sistemler
Hibrit sistemler uygun maliyetlidir ve büyük alg yetiştiriciliği için kullanılabilir. Hibrit sistemler, açık sistemlerin sınırlamalarının ve kapalı sistemlerle ilişkili yüksek başlangıç ve işletme maliyetlerinin üstesinden gelir. Hibrit sistemde, mikroalgler önce kapalı ve kontrollü fotobiyoreaktör sisteminde kültürlenir ve daha sonra biyokütle verimini artırmak için açık sisteme kaydırılır. Bu sistem, biyoyakıt üretimine yönelik alg yetiştiriciliği için umut verici seçenekler sunmaktadır.
2-Alglerin Hasat Edilmesi
Alglerin büyüme döngüsünden sonra hasat edilmesi, ticari bir süreçte biyoyakıt olarak işlenmesinin ilk adımıdır. Hasat teknikleri, kullanılan alglerin türüne bağlıdır. Genel olarak toplu hasat ve yoğunlaştırma olmak üzere iki ana süreci içerir.
Toplu hasat
Bu yöntem, alg biyokütlesini büyüyen çözeltiden ayırmayı amaçlar. Bu genellikle flokülasyon (çökeltme) ile başlar; büyüyen çözelti içindeki asılı alg parçacıklarını daha büyük kümeler halinde toplamak için kimyasallar eklenir. Flokülasyon için çeşitli kimyasallar kullanılabilir. Kullanılan flokülant türü, üretilen alglerin türüne, algleri büyütmek ve biyoyakıta dönüştürmek için kullanılan işlemlere bağlı olacaktır. Flokülasyonun ardından kümelenmiş algler toplanır. Toplama işlemi filtreleme, yüzdürme (flotasyon) ve yerçekimi ile çökeltme yöntemlerinden biri ile yapılabilir.
Filtreleme: Kümelenmiş algleri yakalamak ve çıkarmak için filtreler kullanılır.
Yüzdürme (flotasyon): Yosun kümelerini yüzeye çıkarmak için hava kabarcıkları gönderilir.
Yerçekimiyle çökeltme: Yosun kümelerini dibe indirmek için zaman ve yerçekimi kullanılır.
Her bir işlemin kimyasalların, basınçlı aparatların veya kombine işlemlerin eklenmesini içeren birçok varyasyonu mevcuttur.
Yoğunlaştırma
Yoğunlaştırma, biyokütlenin ayrıştırıldıktan sonra konsantre edilmesini amaçlar. Bu, merkezkaç kuvvetleri (santrifüj), kimyasalların eklenmesi veya ultrasonik radyasyon kullanılması ile gerçekleştirilebilir. Merkezkaç kuvvetleri kullanıldığında, daha yoğun bileşen dönme noktasından daha uzağa hareket ederken, daha az yoğun bileşen daha yakında kalır. Buradaki fikir, büyüme döngüsünü bozmadan algleri sürekli olarak toplamak, düşük su içeriğine sahip bir alg biyokütlesi hasat etmek ve en az miktarda zaman, alan ve para kullanmaktır.
3-Alglerin Kurutulması
Algler hasat edildikten sonra kurutulmalıdır. Kurutma ya da susuzlaştırma, daha ileri işlemlerin mümkün ve verimli olabilmesi için toplanan alglerden suyun uzaklaştırılmasını içerir. Kurutma, harici ısı ile ya da diğer yöntemlerle gerçekleştirilir.
Harici ısı ile kurutma
Şu anda alglerin harici ısı kullanılarak kurutulması yüksek maliyetler nedeniyle ekonomik olarak mümkün değildir. Süreç büyük miktarda zaman, alan ve para gerektirmektedir ve sonuç olarak maliyetler elde edilebilecek kârdan daha büyüktür. Birkaç kurutma yöntemi güneşte kurutma, püskürterek kurutma, rafta kurutma, tamburda kurutma ve dondurarak kurutmadır.
Diğer yöntemlerle kurutma
Şu anda alglerin susuzlaştırma ya da suyunu giderme sürecini iyileştirmek için teknikler araştıran birçok şirket vardır. Aşağıda iki örnek şirket verilmiştir:
OriginOil, algler de dahil olmak üzere organik maddeleri kimyasal kullanmadan sudan uzaklaştırabilen, patent bekleyen bir elektro-su ayırma cihazına sahiptir. İşlem, algleri kümelemek ve kümeleri yüzeye çıkarmak için karışıma elektrik darbeleri göndermeyi içerir.
AlgaeVenture, konveyör bant sistemi kullanarak malzemeleri ayıran bir katı-sıvı ayırma modelini tanıtmıştır. Ekipman, algleri alg yetiştirme sürecinde kullanılan diğer malzemelerden ayırmak için adezyon ve kohezyon özelliklerini kullanır. Adezyon farklı yüzeylerin, kohezyon ise benzer yüzeylerin birbirine tutunma eğilimidir.
4-Yağın Ayrıştırılması
Alg hücre duvarlarında bulunan ve lipitler olarak bilinen yağın çıkarılması için bir ayırma işleminin gerçekleştirilmesi gerekir. Alglerden farklı miktarlarda yağ çıkaran üç geleneksel işlem vardır, ancak daha yüksek bir ekstraksiyon elde etmek daha fazla ekipman gerektirdiğinden ek maliyetlere neden olmaktadır.
Mekanik pres
Yağ, mekanik bir pres kullanılarak alglerden çıkarılabilir. Alg hamurunu yağı çıkaran ve çok daha kuru biyokütleyi dışarı atan bir nozule (ağızlığa, memeye) zorlayan bu işlem, alg yağının %70’e kadarını çıkarabilir, ancak genellikle kuru bir alg hammaddesi gerektirir. Kuru algler, susuzlaştırma işleminin ürünüdür. Bu işlem genellikle hekzan çözücü yöntemiyle birleştirilir.
Heksan çözücü yöntemi
Alg biyokütlesinden elde edilen yağ, altı karbon zincirli bir molekül olan hekzan çözücüsü içinde çözünür. Daha sonra yağ damıtma yoluyla temizlenir ve çözücü başka işlemlerle geri dönüştürülür. Yağların %95’ine kadarı düşük mali ve enerji maliyetleriyle hekzan çözücüler kullanılarak çıkarılabilir, ancak süreç boyunca kullanılan ve geri dönüştürülen kostik bir çözücünün sağlık ve güvenlik etkileri ile ilgili bazı endişeler vardır.
Süperkritik akışkanlar yöntemi
Süperkritik akışkanlar genel olarak, açıkça sıvı veya gaz olmayan çok yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçlı akışkanlardır. Süper akışkan karbondioksit, alg hücrelerini parçalamak ve yağı serbest bırakmak için kullanılabilir. Yağın %100’e kadarı çıkarılabilir, ancak ekipman ve enerji maliyetleri çok yüksektir, bu da ticari uygulanabilirliği ve bu yönteme olan ilgiyi sınırlamaktadır.
Diğer yöntemler
Alglerden yağ elde etmek için başka birçok yöntem vardır, ancak alg biyoyakıtları şu anda ticari olarak üretilmediğinden, bunların çoğu araştırma ve test aşamasındadır. Sonuç olarak, ticari biyoyakıt üretimi için gerekli boyutlara henüz ölçeklendirilemezler.
5-Biyoyakıt Üretimi
Sahip oldukları eşsiz potansiyel sayesinde mikroalglerden çeşitli biyoyakıtlar elde edilmektedir. Alg yağları biyodizel üretimi için kullanılırken, biyokütlenin karbonhidrat bileşeni biyoetanol üretimi için, artık biyokütle ise metan, yakıt gazı veya akaryakıt (yağ yakıt ya da fuel oil) üretimi için kullanılabilir. Biyoyakıt üretiminden sonra elde edilen biyokütle ayrıca eikosapentaenoik asit (EPA), dokosaheksaenoik asit (DHA), nutrasötikler, protein takviyeleri, terapötikler, biyokontrol ajanları, gübreler, hayvan yemi ve su ürünleri gibi birçok katma değerli ürünün kaynağı olarak kullanılabilir.
Biyodizel
Biyodizel, kükürt ve partikül madde emisyonlarını azaltırken, petrol dizel yakıtı ile karşılaştırılabilir motor performansına sahiptir. Biyodizel, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyolojik olarak parçalanabilen alternatif bir yakıttır ve doğada toksik değildir. Üretim sürecinde, triaçilgliseroller (TAG’ler) bir asit veya alkali katalizör ile transesterifiye edilerek biyodizel ve gliserol üretilir. Biyodizel daha sonra yıkanır ve filtrelenerek halkın kullanımına hazır hale getirilir. Alglerden elde edilen biyodizel, doğrudan alg biyokütlesinin transesterifikasyonundan elde edilebilir. Alternatif olarak, lipitlerin başlangıçta ekstrakte edildiği ve daha sonra transesterifiye edildiği iki aşamalı bir işlemle de üretilebilir, ancak her iki işlem de metanol, izopropanol ve petrol eteri gibi solventler (çözücüler) ve alkoller yoluyla lipit ekstraksiyonu içerir. Doğrudan transesterifikasyon süreci hızlı ve uygun maliyetli bir teknolojidir. Mikroalglerden üretilen biyodizel, mevcut dizel krizine mükemmel bir alternatif olabilir, ancak mikroalglerden verimli bir şekilde biyodizel üretmek için, yüksek büyüme hızına ve yağ içeriğine sahip suşların seçilmesi gerekir.
Biyoetanol
Alglerden yağ çıkarıldıktan sonra biyokütle olarak bilinen çok miktarda katı madde kalır. Bu artık biyokütle, başka bir alg bazlı yakıt ürünü olan biyoetanol (biyokütleden elde edilen etanol) oluşturmak için kullanılabilir. Biyokütlenin karbonhidrat içeriği şekerlere dönüştürülebilir. Bu, alglerin büyüme sürecine geri dönüştürülebilen karbondioksit veren maya ile fermantasyon yoluyla gerçekleştirilebilir. Daha sonra şekerler fermente olarak etanole dönüşmeye devam eder. Ayrıca, alglerin biyokütlede hala orijinal yağı içermesi durumunda, hücre duvarlarını parçalamak, karbonhidratları serbest bırakmak ve ardından fermente etmek için çürüme başlatılabilir.
Biyoetanol, fosil kaynaklı petrolün bir kısmının yerini alabilen bir biyoyakıt olarak kullanılabilir. Şu anda, biyoetanol, mısır söz konusu olduğunda nişastanın hidrolize edilmesinden elde edilen şekerlerin fermente edilmesiyle üretilmektedir. Nişasta içeriği %50’nin üzerinde olan mikroalg türleri bildirilmiştir. Yeni teknolojilerle, selüloz ve hemiselüloz şekere hidrolize edilebilir; böylece kuru alg biyokütlesinin büyük kısmından etanol oluşumu kolaylaşır. Odunsu biyokütlenin geleneksel kullanımına kıyasla mikroalgler, bazıları aşağıda sıralanan daha iyi seçeneklere sahiptir:
a)Mikroalglerde lignin yoktur, bu nedenle işleme daha kolay hale gelir.
b)Mikroalgal hücre bileşimi çok basittir ve biyokütle kolayca kullanılabilir.
c)Mikroalgal hücreler, şekere dönüştürülebilen bol miktarda polisakkaritten oluşur.
d)Mikroalgler, etanol üretmek için genetik olarak tasarlanabilir.
Mikroalglerden veya mikroalglerden etanol üretimi çok ilginç beklentilere sahiptir, ancak şu anda yalnızca araştırmaların başlangıç aşamasındadır. Tam ölçekli bir üretim sistemini analiz etmek için daha fazla geliştirme gerekir.
Biyogaz
Organik maddenin anaerobik sindirimi, biyogaz veya biyometan adı verilen yakıt oluşumuna yol açar. Biyogaz esas olarak metan (%55-75) ve CO2’den (%25-45) oluşur. Anaerobik sindirimin, aşağıda açıklanan aşamaları vardır:
a-Hidrolitik bakterilerin aracılık ettiği monosakkaritlere biyopolimer hidrolizi.
b-Monosakkaritlerin fermantasyon yoluyla asitlere dönüşümü.
c- Asetat oluşumuna yol açan asetojenik bakterilerin etkisi.
d-Metanojenik bakteriler tarafından metan ve karbondioksit oluşumu.
Mikroalglerin yakıt kaynağı olarak biyogaz ürettiği rapor edilmiştir, ancak algal hücrelerin bakteriyel bozunmaya karşı hassasiyeti ve inhibitör (amonyak) oluşumuna yol açan düşük karbon ve nitrojen oranı (C:N) nedeniyle biyogaz oluşum verimi oldukça düşüktür. Scenedesmus spp.’de, lipitlerden ve amino asitlerden arındırılmış artık biyokütle, biyogaz üretimi için araştırılmış ve sonuçlar, artık biyokütlenin ham biyokütleye kıyasla daha iyi biyogaz verimi verdiğini göstermiştir.
Hidrokarbonlar
Mikroalg türleri, ayrıca dizel, kerosen ve benzine dönüştürülebilen hidrokarbonlar üretme yeteneğine sahiptir. Bir mikroalg türü olan Botryococcus braunii’nin mükemmel yağ verimine sahip hidrokarbonlar ürettiği bildirilmiştir. B. braunii’nin yaşam alanı, değişen tuz konsantrasyonlarına uyum sağlamasına yol açan faktörlerden biri olabilecek tatlı sudur. Buna ek olarak, B. braunii’den gelen hidrokarbonlar hücre dışında birikerek ekstraksiyon nispeten daha kolay ve uygun hale gelir.
Hidrojen
Mikroalgler, yalnızca oksijenin tamamen yokluğunda güneş ışığından ve sudan doğrudan hidrojen üretebilir. Hidrojen, sera gazı yaymadığı ve yan ürün olarak su açığa çıkardığı için gelecek vaat eden bir enerji kaynağıdır. Yakıt olarak hidrojenin büyük ölçekli üretimine ilişkin sınırlamalar mevcuttur. Şu anda hidrojen, fotosentetik alglerin aracılık ettiği akış reformasyonu, fotofermentasyon ve suyun fotolizi ile üretilir.
Mor kükürtsüz bakteriler çeşitli substratlardan hidrojen elde ederken, yeşil kükürt bakterileri hidrojen sülfürden (H2S) hidrojen gazı elde eder. Diğer mikroalgler, yalnızca oksijenin tamamen yokluğunda doğrudan güneş ışığı ve sudan hidrojen üretebilir. Hidrojen üretimi için yeni organizmaların keşfedilmesi, büyüme koşullarının optimizasyonu ve biyoteknolojik tekniklerin kullanılması, hidrojeni gelecek için uygun bir yakıt haline getirmede yeni kapılar açabilir.
Biyosingaz
Biyosingaz (biyosentez gazı), oksijen, su buharı veya hava varlığında biyokütlenin gazlaştırılmasıyla üretilir, karbon monoksit, hidrojen, metan, su, diğer hidrokarbonlar ve küller üretir. Gazlaştırma için yüksek sıcaklık (800–1200°C) gereklidir ve hammaddenin biyokütle içinde %20’den fazla su içeriğine sahip olmaması gerekir. Kazanlarda ve türbinlerde yakılarak elektrik üretilebilir ve daha sonra kerosen, mum, nafta ve benzin elde edilebilir.
Üretim Zorlukları
ABD Enerji Bakanlığı (DOE), 1980’lerden 1990’lara kadar alg biyoyakıtının ticari üretimini sürdürmek için önemli bir çaba sarf etmiştir. 16 yıllık araştırmanın ardından DOE, alg biyoyakıt üretiminin yakın gelecekte ticarileştirilemeyecek kadar pahalı olduğu sonucuna varmıştır.
Ticari alg üretimini sınırlayan üç ana faktör vardır:
1-Kültür sisteminde arzu edilen türleri sürdürmenin zorluğu.
2-Alg yağının düşük verimi.
3- Alg biyokütlesini toplamanın yüksek maliyeti.
Son yıllarda, alg biyoyakıt üretimi yeniden ilgi kazanmıştır. Hem üniversite araştırma grupları hem de yeni kurulan işletmeler, ticari alg biyoyakıt üretimi nihai hedefi ile alg proses verimliliğini artırmak için yeni yöntemler araştırmakta ve geliştirmektedir. Araştırma ve geliştirme çabaları birkaç alana ayrılabilir:
-Mevcut suşların yağ içeriğini artırılması veya yüksek yağ içeriğine sahip yeni suşların seçilmesi.
-Alglerin büyüme hızının artırılması.
-Açık hava ortamında veya kapalı bir ortamda sağlam alg yetiştirme sistemlerinin geliştirilmesi.
-Petrol dışında ortak ürünlerin geliştirilmesi.
-Biyoremediasyonda alglerin kullanımı.
-Verimli bir yağ çıkarma yönteminin geliştirilmesi.
Bu hedeflere ulaşmanın bir yolu, alg türlerini genetik ve metabolik olarak değiştirmektir. Diğer yolu, yukarıda sıralanan aynı hedeflere ulaşılması için yeni büyüme teknolojileri geliştirmek veya mevcut büyüme teknolojilerini iyileştirmektir. Ancak, bu yeni ilgi dalgasının henüz önemli bir atılımla sonuçlanmadığını belirtmek gerekir.
Özet
Mikroalgler ideal bir biyodizel hammaddesidir ve yüksek yağ içeriği, yüksek üretim oranları, daha az arazi vb. gibi çeşitli avantajlar nedeniyle sonunda petrol bazlı yakıtın yerini alabilir. Alg biyokütlelerinden yakıt üretecek teknoloji ve altyapı en az 60 yıldır vardır. Şu anda, alg biyodizel üretimi ticarileştirilemeyecek kadar pahalıdır. Yağ çıkarma ve biyodizel işleme ile ilgili statik maliyetler ve alg biyokütle üretiminin değişkenliği nedeniyle, alg yağı üretimi için maliyet tasarrufu sağlayan çabalar, yağ açısından zengin alglerin kendisinin üretim yöntemine odaklanmalıdır. Buna hem alg biyolojisi (biyokütle verimi ve yağ içeriği açısından) hem de kültür sistemi mühendisliği geliştirilerek yaklaşılmalıdır. Ek olarak, entegre bir biyorafineri aracılığıyla alg yakıtının yanı sıra çeşitli katma değerli ürünler üretmek için mikroalgin tüm yönlerini kullanmak, alg biyoyakıt üretiminin maliyetini düşürmenin çekici bir yoludur. Aslında, mikroalgler büyük oranda yağ içerir, geri kalan kısımlar ise büyük miktarlarda protein, karbonhidrat ve diğer besinlerden oluşur. Bu, yağ çıkarma sonrası kalıntıyı hayvan yemi olarak veya diğer katma değerli ürünlerde kullanım için cazip hale getirir.
Kaynakça:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Algae_biofuel
https://www.americanscientist.org/article/making-biofuel-from-microalgae
https://archive.bio.org/articles/biofuels-promise-algae
https://personel.omu.edu.tr/docs/ders_dokumanlari/6372_59111_2394.pdf
https://www.yesilodak.com/gelecegin-gidasi-ve-yakiti-olabilir
https://www.dha.com.tr/gundem/yosundan-uretilen-jet-yakiti-2022de-ilk-kez-ucaklarda-kullanilacak-1860676
Yazar: Müşerref ÖZDAŞ